OXIGÉN HATÁSA A SEJTEK TÚLÉLÉSÉRE. SUGÁRHATÁST MÓDOSÍTÓ VEGYÜLETEK ÉS ELJÁRÁSOK
OXIGÉN HATÁSA A SEJTEK TÚLÉLÉSÉRE
Oxygen enhancement ratio (OER) Kifejezi az oxigén sugárérzékenyítő hatását = sugárdózis hipoxiában/sugárdózis normoxiában azonos biológiai hatás eléréséhez Jellegzetes OER érték: 2.8-3
Túlélő frakció
OER = 2,8 Hipoxiás
Normoxiás
0
5
10
15
20
25
Sugárdózis (Gy)
30
Levegő (155 Hgmm)
Tiszta oxigén (760 Hgmm) Hgmm
Egészséges szövetek oxigén koncentrációja: 5-7 % Hipoxia: 3 % alatt
értékek a vérben
Oxigén parciális nyomása
ROOH
Oxigén hiányában
R. + H+ Oxigén a besugárzás pillanatában legyen jelen!
RH
Vagyis: A jól oxigenizált szövetek sugárérzékenyek Hipoxiás szövetek sugárrezisztensek Eltérő mértékű hipoxia jellemzően jelen van: - Normális szövetekben (pl. porcok, bőr, retina) - Daganatos sejtekben, szövetekben - A daganatsejteknek a hipoxiával szembeni toleranciája eltérő!
100-180 µm
Általában az 1 mm-nél kisebb átmérőjű daganatokban nincs hipoxia, e méret felett már részleges hipoxia megfigyelhető.
Akut hipoxia okai: - vérsejtek vagy tumorsejtek elzárják az ereket - erek kollabálása a magas intersticiális nyomás hatására - vazokonstrikció a közeli arteriolákban
Hipoxia kísérletes tumor modellekben
Hipoxia mérése humán daganatokban - Daganatok vérellátásának a mérése (az oxigén ellátottság mértéke szorosan összefügg a szövetek vérellátottságával) - A hemoglobin oxigénnel való telítődöttségének mértéke (ez szabályozza, hogy milyen mértékben jusson el az oxigén a daganat sejtekhez) - A daganat metabolikus aktivitása (ez hipoxiás körülmények között megváltozik) - A DNS károsodás mértékének becslése (hipoxiás sejtekben a DNS károsodás mértéke kisebb, mint normoxiás sejtekben azonos dózisú besugárzás hatására) - Hipoxiás markerek kimutatása a daganatsejtekben (bizonyos nitro-aromás vegyületek hipoxiás körülmények között redukálódnak és a hipoxiás sejtekhez kötődnek, amelyek immunhisztokémiai módszerekkel kimutathatóak) - A daganaton belül az oxigén parciális nyomásának a becslése
Mi történik a daganatok sugárterápiája során?
Hipoxiás sejtek aránya
Besugárzás
Reoxigenizáció
Daganat fejlődése időben
Reoxigenizációért felelős mechanizmusok: -Időlegesen elzáródott erek ismét permeábilissá válnak
percek
-Károsodott sejtekben a sejtlégzés mértéke csökken
percek-órák
-Sejtek isémiás pusztulása
órák
-Besugarazott sejtek pusztulása mitotikus sejthalállal
órák
-Elhalt sejtek felszívódása, daganat átmérő csökkenése
napok
A hipoxia fokozza a daganatok malignitását az alábbi mechanizmusok révén: 1. - bizonyos fiziológiás válaszreakciókat aktivál: - fokozza az anaerob glikolízis mértékét - fokozza az angiogenezist (új erek képződését) 2. – olyan mikrokörnyezetet teremt, amely kedvez a hipoxia (és egyéb stressz faktorok!!) iránt toleráns daganatsejtek szelektív túlélésének 3. – rontja a sejtek DNS károsodást javító rendszerét, ezáltal genetikai instabilitást okoz, illetve elősegíti annak fennmaradását 4. – módosítja számos gén transzkripcióját 5. –csökkenti (differenciáltan!) a fehérje szintézist az mRNS transzlációjának a gátlásával
HIF-1
Sugárérzékenyítő vegyületek és eljárások Cél: daganatok sugárérzékenységének SZELEKTÍV növelése Olyan eljárások, amelyek: - csökkentik a daganatokban a hipoxiás sejtek arányát az oxigén hozzáférhetőségének a növelésével - a sejteket érzékenyebbé teszik a sugárzás iránt - szelektíven pusztítják el a hipoxiás sejteket Sugárérzékenyítési tényező (sensitizer enhancement ratio): Sugárdózis sugárérzékenyítő hiányában/Sugárdózis sugárérzékenyítő jelenlétében
• 1. Hiperbárikus oxigén/karbogén belélegeztetés mellett végzett sugárterápia • 2. Halogénezett pirimidin származékok - timidin analógok, amelyek beépülnek a DNS láncba - csak osztódó sejtekre hatnak (szelektivitás) - minél nagyobb mennyiség épül be, annál fokozottabb a hatás - Br és I származékok
3. Hipoxiás sejtek szelektív szenztizálása Bioreduktív szerek - különböző fokú elektron affinitással rendelkező vegyületek, amelyek oxigén mimetikumok - szövetekben nehezebben bomlanak le, mint az oxigén, képesek távolabbra diffundálni és a hipoxiás zónába is eljutni
Nitroimidazol származékok
Misonidazol sugárérzékenyítő hatása
• Misonidazol nem vált be, mivel a szer neurotoxicitása miatt a terápiásan alkalmazható dózisok (0,5 g/m2) a sugárérzékenyítő dózis alatt maradtak
4. - Hemoglobin szint emelése (transzfúzió vagy eritropoetin adása) Dohányzó betegeknél (csökkent oxigénkötő kapacitás) a sugárterápiára adott válasz rosszabb volt, mint nem-dohányzó betegeknél. 5. – Akut hipoxia kivédése nikotinamiddal (B3 vitamin analóg) Megakadályozza a daganatot ellátó erekben a véráramlás fluktuációját A krónikus hipoxia ellen ható eljárásokkal kombinációban mutatott jó eredményeket.
6. -Hipertermia -Tumorok vérellátása rosszabb, mint az egészséges szöveteké. Ezért itt a csökkent „hűtés” miatt magasabb hőmérsékleteket lehet elérni, mint a környező szövetekben. -- Tumorokban levő hipoxiás sejtek környezete alacsony pH-jú savas közeg, ahol a sejtek fokozottan érzékenyek a hőhatásra
7. - Bioreduktív szerek (hipoxiás citotoxinok) „Előnyt kovácsolnak a hipoxiából” – szelektíven pusztítják a hipoxiás sejteket (csak oxigén hiányában hatnak, oxigén jelenlétében hatásuk kevésbé/egyáltalán nem érvényesül)
Hipoxiás citotoxinok előnye: 1. Szelektíven ölik a kemo és sugárterápiával szemben fokozottan rezisztens hipoxiás sejteket 2. Daganatokra jellemző akut hipoxia fokozza hatásukat
Ideális hatás kifejtéséhez valamennyi frakció előtt kell alkalmazni
TIRAPAZAMINE (TPZ)
TPZ és besugárzás
TPZ + Cisplatin
8. - Génterápiás módszerek: Hipoxia által kontrollált génterápia
9. -Tumor vérellátására ható terápiák: - angiogenezis (új erek képződése) gátlása - már meglévő érhálózat szelektív károsítása
SUGÁRVÉDŐ ANYAGOK
Egészséges szövetek károsodását befolyásoló tényezők: - kor - dohányzás - táplálkozási szokások - hemoglobin szint - társbetegségek (cukorbetegség, magas vérnyomás) - fertőzések - immunrendszer gátlásával járó állapotok - autoimmun betegségek - a besugarazott szervek organikus elváltozásai - pigmentáció zavarai - GENETIKAI HÁTTÉR
Mit lehet tenni? 1. Megfelelő sugárterápiás eljárások alkalmazása 2. Sugárvédő vegyületek alkalmazása 3. Celluláris/molekuláris mechanizmusokra célzottan ható terápiák alkalmazása 4. Egyéb eljárások
Sugárvédő vegyületek Dose reduction factor (DRF) DRF=sugárdózis sugárvédő vegyület jelenlétében/sugárdózis sugárvédő vegyület hiányában Elvárások: 1. Toxicitás elfogadható 2. Jó sugárvédő hatás (magas DRF) 3. SZELEKTÍV (csak az egészséges szövetet védi, a tumort nem) 4. Könnyen kezelhető
Hatásmechanizmus: Ionizáló sugárzás során keletkezett szabadgyökök semlegesítése Természetes sugárvédő anyagok: szulfhidril vegyületek, pl cisztein Szintetikus sugárvédő vegyületek: az SH csoportot foszfát csoporttal fedték le
AMIFOSTINE (WR-2721, Ethyol) Sugár- és kemoterápiás szerek citotoxikus hatása ellen is véd Farmakokinetika: Hidrofil, iv adás esetén a vérben a félélet ideje 1-3 perc Különböző szövetekbe való bejutása és kiürülése eltérő Alapállapotban inaktív, aktivációjához defoszforilálódnia kell. Aktivációja: spontán hidrolízissel szöveti alkalikus foszfatáz révén (optimális pH:8-9)
Hatásmechanizmus: 1. szabadgyök fogó (oxigénnel kompetícióban), ⇒ sugárvédő hatás jelentős mértékben függ a szöveti oxigén parciális nyomásától 2. közvetlenül is reagál az oxigénnel, helyi hipoxiát hoz létre 3. hidrogéndonor, elősegíti a DNS lánc kémiai javítását 4. elősegíti a DNS lánc becsomagolódását, csökkentve a szabadgyökök hozzáférését a DNS lánchoz 5. ? Befolyásolja a DNS szintézist, repairt, gén expressziót, sejt ciklusban való progressziót ⇒ antimutagén hatás
Inhomogén eloszlás szöveten belül
⇒ eltérő védő hatás Miért szelektív az Amifostine? 1. Tumoros szövetben alacsonyabb az alkalikus foszfatáz aktivitása (savas környezet) 2. Abnormális érrendszer a daganatokban 3. Hipoxia
Mellékhatásai: dózisfüggő • hipotenzió(!), • émelygés, hányás • aluszékonyság • fémes íz • tranziens hipokalcémia
Fej-nyaki daganatokban xerostomia és akut mucositis kivédése Kismedencei besugárzás: rectum karcinoma Mellkasi besugárzás tüdő karcinómákban pneumonitis, tüdő fibrózis, esophagitis kivédése
Tapasztalatok: Szelektív hatás állatkísérletekben nem egyértelműen bizonyított, emberi alkalmazásnál az eddig kezelt esetszám viszonylag kicsi Klinikai alkalmazás: fej-nyaki daganatokban xerostomia kivédésére, mucositis diszfágia cisztitis pneumonitis iv/szubkután kemoradioterápia kockázati tényező lehet a daganatra kifejtett esetleges sugárvédő hatás
Új, kísérleti fázisban levő sugárvédő anyagok: • Bowman Birk proteáz gátló Daganat-szelektív, mivel hatásához ép p53 szükséges DNS-repair mechanizmusokat stimulálja • Hoechst 33342 Agyi endothél sejtek szelektív védelme • Ginseng • Aloe származékok • Melatonin
Celluláris/molekuláris mechanizmusokra célzottan ható terápiák
Besugárzás Oxidatív stressz Szövetkárosodás
Oxidatív stressz
Hipoxia
ödéma ishémia fibrin
Szignál mechanizmusok aktivációja
Gyulladás
Fibrózis
Citokinek
Endotél sejtek pusztulása
Termelődő citokinek és növekedési faktorok: Akut fázis: gyulladás – IL-1, TNFα, IL-8 Szubakut fázis: szöveti repair – EGF, TGFα, TGFβ, FGF7, FGF10 (KGF) Krónikus fázis: fibrózis – TGFβ β, PDGF, VEGF, FGF1,2
Citokinek és növekedési faktorok 1.
1.
2.
Akut, gyulladásos fázis gátlása: - szolubilis antitestekkel: anti IL-1, IL-8, anti-TNF-α α - szolubilis receptorokkal (génterápia) Fibrózist és krónikus gyulladást elősegítő citokinek gátlása TGFβ β gátlás: -szolubilis receptorokkal, antitestekkel -TGFβ β sejten belüli effektorainak (Smad rendszer) gátlásával -SOD -ACE gátlók -talidomid (bFGF, VEGF, TNFα α) -szteroidok „Sejtvédő” hatással rendelkező citokinek adása közvetlenül a besugárzás előtt: FGF7, KGF, GM-CSF, EGF, PDGF FGF7 - epiteliális sejtek (hepatocit, pneumocita, uroepitél sejtek, keratinocita, enterocita) proliferációja és differenciációja - Hatásai: fokozza az epiteliális réteg vastagságát, aktiválja a bőr, szájüreg és bél sejtjeinek az antioxidáns génjeit, fokozza a mucin termelődést a vékony és vastagbélben - preklinikai és klinikai kísérletek orális és GI mucositis, tüdő fibrózis, cystitis kivédésére KGF, GM-CSF – xerostomia profilaxis
Oxidatív stressz csökkentése Célja: szövetekben fellépő krónikus hipoxia és krónikus szabadgyök képzés csökkentése Szuperoxid diszmutáz (SOD), mint természetes gyökfogó Három formában létezik: mitokondriális, citoplazmatikus, extracelluláris. Mindhárom véd. Cu/Zn/MnSOD csökkentette a sugárterápia okozta tüdő fibrózist emberben is. Gátolja a TGFβ termelődést! SOD génterápiás alkalmazása !! Hosszútávú terápia!!
• ACE gátlók: - sugárzás okozta nefropátia, illetve pneumopátia kivédésében Mechanizmus: ? - antifibrinogén és gyulladás csökkentő hatás - csökkentik az endotélsejtek károsodásainak következményeit (csökkent proliferáció, gátolt TGFβ szint emelkedés)
Egyéb eljárások: 1.
Pentoxifillin - elősegíti a sugárzás okozta lágy szövetek nekrózisának és fibrózisának a gyógyulását 2. Többszörösen telítetlen zsírsavak 3. Vérellátás javítás 4. Sejtkárosodás csökkentése
